(57)【要約】      （修正有）【課題】発受光部が非常に小型、安価になり、光の損失が少なく、高効率となる。【解決手段】ＬＥＤ素子そのものの樹脂レンズ１３によって発光面像を受光面に結像させて細いビーム状の光線を得るようにした。その為にはこれまで実現不可能であった非常に高い高さの樹脂レンズ１３が必要であった。その解決策としてパッケージ直径の０．９倍から１．２倍の高さの樹脂レンズ１３を逆吊り重力硬化法によって形成した。これによりかなり広い範囲の樹脂高さで結像が得られるので通常のポッテング法によって容易に樹脂レンズ１３を形成することができる。なお、全く光学的に逆の関係にある受光素子にもそのまま適用でき、細いビーム状の光のみに感応する受光素子を実現することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１５ｍｍ以上の周辺突起を有するパッケージに受光素子又は発光素子を組み込んだ受発光素子、前記受発光素子の上に合成樹脂の逆吊り重力硬化法によってレンズを形成し、前記レンズの高さを、前記パッケージの実効直径の０．９倍から１．２倍にしたことを特徴とする本文記載の受発光素子。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
本発明は安全センサーや防犯センサー等の検出部になる受発光素子に係わるものである。例えば光安全センサーは光カーテンとも呼ばれ、発光素子と受光素子の間が遠く離れ、１０ｍにもなる場合がある。またある種の防犯装置では１００ｍになるものもある。その間は細い光の線であったり、それらの線を多数並べて一枚の面であったりする。そしてそれらの線を遮ることによって、或いは反射する事によってセンサーが動作するようになっている。したがって光には強さと細さ（狭い放射指向角）が要求される。かつ光軸のぶれの少ないものが要求される。例えば指向角が±２．５°、光軸のぶれが±１°以下が要求される。つまり精度の高い細いビーム状の強い光である。
一方、受光側に対しても同じ様な性能が求められる。光軸以外の離れた場所からの光（外乱光又は迷光と呼ぶ）を受けない様にするためである。この迷光を受けないために発光素子の指向角に対して受光素子には受光角がある。発光と受光は全く逆の関係にあり、発光素子と受光素子とを入れ替えても光学的には全く同じである。従って本発明の説明では主に発光素子について説明し、受光素子についてはその後で簡単に説明する事にする。
図１は従来の安全センサーの光学系を示したものである。図において（１）はＬＥＤ光源、（２）はスリット、（３）は仮想光源、（４）は集光レンズ、（５）は光軸、（６）は受光部である。図の様に従来のものはＬＥＤ光源（１）の前にスリット（２）と集光レンズ（４）を置いて細いビーム状の光線を得ていた。そのため発光部全体が大型になり、高価になる欠点があった。またＬＥＤ光源（１）の場合、半値指向角（光軸中心上の光の強さに対して、その強さが半分に低下する点の光軸からのずれの角度）が９０°位あり、つまり光はかなり広い範囲に広がっているのである。そこえ狭いスリット（２）を置くのであるからそのスリット（２）を通過する有効な光の量は全体の１０〜２０％程度に減少し、この部分ですでに８０〜９０％の光量が損失となっていた。本発明によればこれら全ての問題点に対して著しい改善がみられた。
本発明はこれまでの様なスリット（２）と集光レンズ（４）を省略し、ＬＥＤ素子そのものに高いレンズ効果を持たせ、細いビーム状の光線を得るようにしたものである。本発明では発光部が非常に小型、安価になり、光の損失が少なく、高効率となる（後で説明するが受光部もほぼ同様の効果が得られる。）
図２は本発明の発光素子のパッケージ部を示したものである。図において（７）はパッケージ、（８）は周辺突起、（９）は主リード、（１０）は第二リード、（１１）はＬＥＤ素子、（１２）は接続線、である。パッケージ（７）はほぼ円形をなし、（円形にに近い多角形も含まれる）その周辺部に周辺突起（８）を有する。パッケージ中心部に貫通する主リード（９）を有し、その上にＬＥＤ素子（１１）を銀ペースト等の接着剤で接着保持する。ＬＥＤ素子（１１）と第二リード（１０）の間を接続線（１２）で接続し、主リード（９）と第二リード（１０）の間に電気回路を形成し、ＬＥＤ素子（１１）を発光させる。本発明はまず従来の様な光の損失を防ぐ為になされた。つまりスリット（２）を省略し、発光量の大部分をレンズに導き、さらに外部に照射することにある。そのために本発明ではＬＥＤ自体の樹脂レンズを非常に高くし、かつ樹脂盛り後、逆吊り重力硬化法によって形成する事を特徴とする。
図３は本発明のＬＥＤ発光素子を示したものである。図において（１３）は樹脂レンズである。また（Ａ）はレンズ主点、（Ｂ）は周辺突起（８）の高さ、（Ｄ）はレンズ直径、（Ｆ）はレンズの焦点、（ｆ）はレンズの焦点距離、（Ｈ）はレンズの高さ、である。レンズの高さ（Ｈ）はＬＥＤ素子（１１）の表面とレンズ（１３）の先端までの距離にほぼ等しいものとする。
本発明のＬＥＤ発光素子は従来のものに比べてレンズの高さが非常に高く、レンズの焦点（Ｆ）がＬＥＤ素子（１１）の表面か又は非常に近い所にあるのが特徴である。そのためレンズ形成のし易さの点から、高さ（Ｂ）の周辺突起（８）を有する。周辺突起の高さ（Ｂ）はレンズ高さ（Ｈ）の一部を分担する。また樹脂ポッテングを容易に可能にし、高さの非常に高い樹脂レンズを実現するための本発明の要件の一つになっている。以下周辺突起について説明する。
図４は樹脂ポッテングを説明する図である。図において（１４）は一次盛り、（１５）は二次盛り、である。本発明のＬＥＤ素子はレンズ高さ（Ｈ）が非常に高く、ポッテング作業に熟練を要する。しかし本発明の様に周辺突起（８）を設け、最初は少ない量の樹脂をポッテングして一次盛り（１４）を形成し、二度目に二次盛り（１５）を形成し、樹脂が垂れ落ちないようにして素早く逆さ吊りにする。これによって失敗すること無く樹脂レンズ（１３）を所定の高さ（Ｈ）にすることができる。また周辺突起の高さ（Ｂ）を高くすることによって樹脂の量を減らす事ができるから樹脂盛りの作業性が非常によくなる。
再び図３に戻って説明する。このＬＥＤ素子の諸定数、すなわちレンズ主点（Ａ）、レンズの焦点（Ｆ）と焦点距離（ｆ）、を知る事はレンズの一方が光学的に塞がれているので正確には不可能である。しかしＬＥＤ素子（１１）を点灯し、そのＬＥＤ像を外部に結像させる事によって概略値を知ることができるこれについては、後で説明する。この発明の一つの目的は±２．５°位の狭い半値指向角を得ることにある。発明者は結像現象を導入してこの狭い半値指向角を得ることに成功した。以下詳細に説明する。
図５はパッケージ直径（ＤＳ）が３ｍｍのＬＥＤ素子の指向角特性を示す線図である。周辺突起の高さ（Ｂ）は０．３ｍｍである。図５はこの場合のレンズ高さ（Ｈ）に対する指向特性を示したものである。それによるとある範囲の特定のレンズ高さにおいて結像現象が得られた。そして結像現象が得られた時は非常に細いビーム状の光線と強い光出力が得られた。図において（１６）はレンズ高さ（Ｈ）が１．５ｍｍの場合の指向特性線図、（１７）はレンズ高さ（Ｈ）が２．５ｍｍの場合の指向特性線図、（１８）はレンズ高さ（Ｈ）が３．４ｍｍの場合の指向特性線図、（１９）はレンズ高さ（Ｈ）が４ｍｍの場合の指向特性線図、をそれぞれ示す。
これらの現象を説明すると次の様になる。レンズ高さ（Ｈ）が低いと（１６）の様に指向角は大きいが高くすると（１７）の様に狭くなり、特定の高さになると（１８）の様に細いビーム状の特性を示す。更に高くするとビーム状態をはずれ（１９）の様になる。（１８）の様な指向特性を示すビー厶光線は、すなわちＬＥＤ素子（１１）の表面画像が受光部に結像しているのである。図５の場合について結像を調べてみると、レンズ高さ（Ｈ）が３ｍｍから３．６ｍｍにかけて結像した。他の一例ではパッケージ（７）に直径４．２ｍｍの金属製を使用した場合３．４ｍｍから４．４ｍｍにかけて結像した。
図６は本発明の金属パッケージへの適用例を示したものである。図において（２０）は金属パッケージ、（２１）はエッジ部、（ＤＥ）は金属パッケージ実効直径、（ＤＭ）は金属パッケージ直径、をそれぞれ示す。金属パッケージの場合はエッジ部（２１）が丸くなっているため金属パッケージ直径（ＤＭ）よりも金属パッケージ実効直径（ＤＥ）の方が小さくなる。図６に示したパッケージ直径４．２ｍｍの場合、エッジ部（２１）の曲率半径が０．２５ｍｍ、実効直径（ＤＭ）は約３．６ｍｍであった。
このようにパッケージの種類によってパッケージ直径とその実効直径異なる場合がある。その一つは前述の説明の様にエッジ部（２１）が丸くなっている場合、他の一つはパッケージが完全な円ではなく、楕円であったり多角形の場合である。例えば多角形の場合、内接する円と外接する円の丁度中間の円が実効的な円の大きさになるようである。
本発明の他の一実施例ではポッケージ直径（ＤＳ）が４ｍｍ、周辺突起の高さ（Ｂ）が１ｍｍのセラミック製を使用した時、レンズの高さ（Ｈ）が４ｍｍから４．８ｍｍにおいて結像した。
これらの結果を総合すると結像する為の条件はＬＥＤ素子（１１）の表面から樹脂レンズ（１３）の先端までの距離がパッケージの実効直径の０．９倍から１．２倍位の間で結像する。以下このことをレンズ光学的に検討してみる。
図７はレンズ光学の基本図である。図において（２２）は物体、（２３）は物体の結像、（２４）はレンズ、（Ｘ）は物体（２２）からレンズ（２４）までの距離、（Ｙ）はレンズ（２４）から物体の結像（２３）までの距離、をそれぞれ示す。この場合、物理の基本公式
（１／Ｘ）＋（１／Ｙ）＝（１／ｆ）
が成立する。ここで図３の場合を想定して、物体（２２）ＬＥＤ素子（１１）に置き換えレンズ（２４）を樹脂レンズ（１３）に置き換えて考えると（Ｘ）や（ｆ）は数ｍｍ程度であるが、これに対してレンズから結像までの距離は１０ｃｍから数ｍ以上にもなるから（１／Ｙ）≒０と考える事ができる。したがって（Ｘ≒ｆ）と考える事ができる。この事から図３で言えば外部から焦点距離（ｆ）を測る事はできないがＬＥＤ素子（１１）の表面からレンズ主点（Ａ）までの距離がほぼ焦点距離に等しい事がわかる。
本発明の場合、樹脂レンズ（１３）は逆吊り重力硬化法によって形成される。樹脂レンズ（１３）は球形ではなく複雑な形状をなし、レンズ実効直径（Ｄ）とレンズ高さ（Ｈ）に依存する。前述の様に（Ｘ≒ｆ）という条件が満たされた時、つまりＬＥＤ素子（１１）の表面にレンズの焦点があると考えられる時、ここから発する光はレンズ通過後結像する。パッケージが定まり、その直径（ＤＳ）が定まると結像が得られるレンズ高さ（Ｈ）が一点のみ存在する、とすればそのレンズ高さをポッテング作業で得ることは至難の業である。しかし本発明の樹脂レンズ（１３）の光学系では前述の様に実用的にある幅を持って結像する。そのため本発明では結像を得ることが実用的に実現可能なのである。すなわちレンズ高さ（Ｈ）がパッケージ直径（ＤＳ）の０．９倍から１．２倍の幅を持って結像する。なぜ幅を持っているのか、研究の結果それは逆吊り重力硬化法によってなされる事がわかった。
図８は逆吊り重力硬化法によって製作されたＬＥＤ素子のレンズ高さ（Ｈ）とレンズ焦点距離（ｆ）との関係を示す線図である。図において（２５）は低い高さのレンズ、（２６）は中間の高さのレンズ、（２７）は高い高さのレンズ、（Ｈ１）は低いレンズ高さ、（Ｈ２）は中間のレンズ高さ、（Ｈ３）は高いレンズ高さ、（Ａ１）はレンズ（２５）のレンズ主点、（Ａ２）はレンズ（２６）のレンズ主点、（Ａ３）はレンズ（２７）のレンズ主点、（ｆ１）はレンズ（２５）の焦点距離、（ｆ２）はレンズ（２６）の焦点距離、（ｆ３）はレンズ（２７）の焦点距離、をそれぞれ示す。本発明の逆吊り重力硬化法によればパッケージ直径（ＤＳ）と樹脂の粘度、表面張力と重力との相互作用によってレンズの形状が定まり、かつ焦点距離も定まる。そしてある範囲のレンズ高さに於いてその焦点の位置がＬＥＤ素子の表面又は表面の非常に近い位置に一致する。研究によればその範囲はレンズ高さ（Ｈ）がパッケージ直径（ＤＳ）の０．９倍から１．２倍迄である。ポッテング作業によってこの範囲の高さの樹脂レンズを作成する事は比較的容易である。
本発明の目的の主点はビーム状の細い光線を得ることにある。そして受光面の限られた領域内に強い光の強度を与えるものである。通常のカメラや映写機のように像の細かい解像度は不要である。従って本発明の主張は解像度ではなく、半値指向角と光の強度の点から、パッケージの直径とレンズの高さの関係、すなわちレンズの高さ（Ｈ）をパッケージ直径の０．９倍から１．２倍にした事にある。次に半値指向角とＬＥＤ素子の発光面の大きさについて実験と計算によって求めてみる。
図９はＬＥＤ素子（１１）の発光面と結像との関係図を示す線図である。図において（θ）は指向角、（２８）は発光面、（２９）はＬＥＤ素子（１１）の結像、（Ｅ）は発光面の大きさ、をそれぞれ示す。図から明らかな様に
（Ｅ／２）＝ｆ×ｔａｎ（θ／２）
が成立する。この式から指向角とレンズ焦点距離を指定するとＬＥＤ素子の発光面の大きさ（Ｅ）が求まる。本発明の一実施例である図６の場合について発光面の大きさ（Ｅ）を求めてみると次の様になる。図６の場合、レンズ実効直径（Ｄ）は３．４ｍｍであった。また結像の実験ではレンズの高さ（Ｈ）が３．２ｍｍから４．２ｍｍで結像したが、その中間的な値で（Ｈ）が３．７ｍｍの場合の焦点距離を求めてみる。レンズは非球面であるが直径の半分１．７ｍｍを半径としてレンズ先端から半径の２／３（１．７×２／３＝１．１３ｍｍ）の１．１３ｍｍ入った所にレンズ主点があるとするとＬＥＤ素子（１１）の表面からレンズ主点までの距離、すなわち焦点距離（ｆ）は２．５６ｍｍとなる。次に上の関係式から指向角を指定すれば必要とされる発光面の大きさ（Ｅ）は一義的に定まることになる。例えば半値指向角（θ／２）＝２．５°を指定すればＥ≒０．２２４ｍｍとなる。
このように本発明ではパッケージが決まり、その直径が定まると結像が得られるレンズ高さ（Ｈ）の範囲が定まり、その中間的な高さを目標に樹脂レンズを作成する。あとは指向角（θ）とＬＥＤ素子の発光面のおおきさ（Ｅ）のみであるから、その一方を指定すれば総ての定数が定まる事になる。
図１０は本発明の効果をより発揮できるＬＥＤ素子を示したものである。図において（３０）は電極、（３１）はセカンドポスト、である。図の様にＬＥＤ素子（１１）の中央寄りに発光面（２８）を置き、電極（３０）の周辺部とセカンドポスト（３１）とを接続線（１２）で結んだものである。円形の発光面を光軸上に置けば結像も円形で電極や接続線の影のない一様な光面の結像がえられる。勿論、円形のみならず正方形、長方形、楕円など任意の形状の結像を得ることもできる。
本発明は組立上、周辺突起（８）を必要とする。これにより樹脂ポッテングの作業性を格段に高めることができる。その一つは樹脂ポッテングを一次盛りと二次盛りの二回に分けて行い、高い高さのレンズの製作が容易になること、その二は周辺突起の高さ（Ｂ）がレンズの一部をなす事によって同じレンズ高さに対して樹脂の量を減らす事ができ、これも樹脂ポッテングの作業性を格段に改善する。またＬＥＤ素子の中には素子前面への発光量よりも素子壁面から横方向への発光量が多い場合もある。この様な場合、横方向への発光はそれらの反射光が有害光、迷光となる場合もある。この有害光，迷光を減らすため、周辺突起（８）を黒色にし、場合によってはパッケージ（７）全体を黒色にする事も有効である。
以上、主に発光素子について説明したが本発明は同じ原理で受光素子に適用する事もできる。近年、受光素子の小型化やＩＣ素子化によって受光面が小さくなる傾向にある。このため集光して小さい受光面に光を導く必要がある。これまで説明してきた本発明の原理において、光の方向をそっくり反転させれば、そのまま受光素子に適用する事ができる。
図１１は従来の安全センサーの受光部を示したものである。図において（３２）は発光部、（３３）は受光部、（３４）は受光レンズ、（３５）は受光スリット、（θ’）は受光角、をそれぞれ示す。図のように受光部（３３）においても発行側と同じように受光角（θ’）を持っている。発行側が細いビーム状の光線であったように受光側も細いビーム状の光線のみを受光し、それ以外の外乱光、迷光を受けない様になっている。その為、従来は受光レンズ（３４）と受光スリット（３５）によって集光していた。これは図１に示した発光側の光学系と全く同じである。すなわち受光部（３３）の一点から光が発せられ、その光が受光スリット（３５）と受光レンズ（３４）によって受光角（θ’）にて外部に照射されているのと全く同等である。従って本発明のＬＥＤ発光素子を示した図３において、ＬＥＤ素子（１１）を受光素子に換えるのみで、受光レンズや受光スリットを必要としない細いビーム状の狭い光のみに感応する受光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の安全センサーの光学系
【図２】本発明の発光素子のパッケージ部
【図３】本発明のＬＥＤ発光素子
【図４】樹脂ポッテングを説明する図
【図５】パッケージ直径（ＤＳ）が３ｍｍのＬＥＤ素子の指向特性
【図６】本発明の金属パッケージへの適用例
【図７】レンズ光学の基本図
【図８】逆吊り重力硬化法によって製作されたＬＥＤ素子のレンズ高さ（Ｈ）とレンズ焦点距離（ｆ）との関係を示す線図
【図９】ＬＥＤ素子（１１）の発光面と結像との関係図
【図１０】本発明の効果をより発揮できるＬＥＤ素子
【図１１】従来の安全センサーの受光部
【符号の説明】
（１）      ＬＥＤ光源
（２）      スリット
（３）      仮想光源
（４）      集光レンズ
（５）      光軸
（６）      受光部
（７）      パッケージ
（８）      周辺突起
（９）      主リード
（１０）    第二リード
（１１）    ＬＥＤ素子
（１２）    接続線
（１３）    樹脂レンズ
（１４）    一次盛り
（１５）    二次盛り
（１６）    レンズ高さ（Ｈ）が１．５ｍｍの場合の指向特性線図
（１７）    レンズ高さ（Ｈ）が２．５ｍｍの場合の指向特性線図
（１８）    レンズ高さ（Ｈ）が３．４ｍｍの場合の指向特性線図
（１９）    レンズ高さ（Ｈ）が４ｍｍの場合の指向特性線図
（２０）    金属パッケージ
（２１）    エッジ部
（２２）    物体
（２３）    物体の結像
（２４）    レンズ
（２５）    低い高さのレンズ
（２６）    中間の高さのレンズ
（２７）    高い高さのレンズ
（２８）    発光面
（２９）    ＬＥＤ素子（１１）の結像
（３０）    電極
（３１）    セカンドポスト
（３２）    発光部
（３３）    受光素子
（３４）    受光レンズ
（３５）    受光スリット
（３６）    受光部
（Ａ）      レンズ主点
（Ｂ）      周辺突起の高さ
（Ｄ）      レンズ直径
（ＤＥ）    金属パッケージ実効直径
（ＤＭ）    金属パッケージ直径
（ＤＳ）    パッケージ直径
（Ｅ）      ＬＥＤ素子発光面の大きさ
（Ｆ）      レンズの焦点
（ｆ）      レンズ焦点距離
（ｆ１）    レンズ（２５）の焦点距離
（ｆ２）    レンズ（２６）の焦点距離
（ｆ３）    レンズ（２７）の焦点距離
（Ｈ）      レンズ高さ
（Ｈ１）    低いレンズ高さ
（Ｈ２）    中間のレンズ高さ
（Ｈ３）    高いレンズ高さ
（Ｘ）      物体からレンズまでの距離
（Ｙ）      レンズから結像までの距離
（θ）      指向角
（θ’）    受光角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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